5MeVバン・デ・グラーフ形粒子加速装置

∪.D.C.539.】88.07d

5仙eVバン･デ･ゲラーフ形粒子加速装置

5Me

Van

de

GraaffAccelerator

末

松

茂*

杉

本

光

昭*

Shigeru Suematsu MitsuakiSugimoto

菅ノ叉

伸

治**

ShinjiSuganomata

内

容

梗

概

電荷運搬用ベルトの特性改善と加速管口一ディソグ現象の対策を行なうことにより,国産最初の5MeVバ ソ･デ･ダラーフ形粒子加速 置を完成することができた｡本装置により加速されたイオンビームのエネルギ 一宏志度は±0.1%であり,原子核の精解実験に使用される｡

1.緒

1931年にR.J.Van de Graaff(1)によって最初のベルト起 機式 の加速装置が報告され,次いで1935年にR.G.Herbなど(2)によっ て初めて圧力形の装置が建設されてから今日まで,バン･デ･ダラ

ーフ形加速装置(Vande Graaff Accelerator,以下Ⅴ･d･G･と略 す)は多くの人々によって研究され,その成果が報告されている(3)｡ しかし,これらの多数のⅤ.d.G.に関する仕事は,その大部分がア メリカにおいてなされたものである｡わが国においては大学の研究 室やメーカーなどにおいて研究が行なわれてきたが,いずれも加速 エネルギーが3MeV程度にとどまっていた｡ 最近の原子核実験の発展によって,精密測定のエネルギー範囲が さらに-如､領域まで拡張され,Ⅴ.d.G･に対してより高い電梧(エ ネノLギー)が要求されるようになり.1∩､2r)MeVのタンデム形 Ⅴ.d.G.が出現Lている現状である｡ 今[叶完成Lた5MeV V.d.G.は.さきに宣成した3MeV V･d･ G.(4〉の経験をもとにして製作された同産最初のものであり,国内 技術をもってより高いエネルギーのⅤ･d･G･ なるものである｡本装筐は東北大学理サ部に納入され,原子核の精 碑実験に使用される｡

2.装置の構成

2.1起 電 磯 部 本装置は圧力形Ⅴ.d.G.であり,起電磯部および加速管は高圧タ ンク内に収容されている｡第1図(a)は加速器本体のだいたいの構 成を示したもので,(b)は起電機部の写真である｡本装置は縦形で あり,2階以上に高圧タンクなどが配置され,加速されたイオンビー ムは1階で原子核実験に使用される｡高圧タンクは高さ約8mの鋼 板製で2分割してあり,その熔接部はⅩ線による検査を行なってい る｡ガスを充てんするときは1,500J/minのトラップ付油回転ポンプ で,タソク内を十分に排気乾燥させたのち,貯蔵タンクからN2と CO2の混合ガスを圧縮機で充てんする｡ガス系統を弟2図に示す｡ 絶縁コラムは4ブロックに分割され,各プロ､ソクほ短冊形の支持 がい†･とフープとを接着したものからなっているr､これらのブロッ クは精密に仕上げられた継ぎ金具で結合されている｢.本5MeV V･ d.G.では特にフープの表面電界強度を緩和し,コラムの静電遮へ い効果をあげるためにだ円フープを使用している｡コラムの各段閃 は分圧抵抗で接続Lて り付けて異常 位分布を均等にし,また火花ギャップを取 圧を防_【卜している｡分匠祇抗体には耐湿作,耐コロ ナ件の向上のため特殊樹脂加_I二を施している｡ 絶縁コラムの上部には,絞り加工のアルミニウム製高電圧電極が 取り付けられる｡その 面は十分に仕上げられておi),タンク内面 * 日立製作所国分工場 ** 日立製作所目立研究所 何㊥何■瑚⑤■両㊥■㈲㊥㊥叫⑲㊥@ 高 上F三タ ン 〟 ベルト駆動用電動機 べ _{ノ1･ 【} イ加絶高 _† ､/ 速 緑忙 ウ 電 一∴ 管∵ハ称ド 回 _転 電 圧 言l■ 横 タ ー ゲ _ッl 斜 タ ー ゲ ッⅠ 加速管用排気裳置 電磁石用排気装置 分析用 電 磁 石 第1囲(a)

〓山間副一軍礫弘渕兆辿

｢-†｢-LJLト｣｣⊂｣｣ヒ..｢｢.｢lf｢

.[Lトt一ll■-1 ｢上丁∴.一 帖[〓u■■一 ＼ ▲

竺

+ 5MeV バン･デ･グラー7構成図 第1図(b)5MeV ハン′ ● ₇ ● ダラーフ起電機郡

文

第2岡 _{ガス回収装置系統l茎1} の仕上げとあいまってコロナ放電などが起こらないようにしてあ る｡発生電圧が5.5MVのとき,電極側面での電界強度は,充てん ガス圧15kg/cm2におけるガスの耐EEに比べ余裕のある設計とな っている｡ 荷を運ぶベルトは2台の7.5kW(10HP)三相誘導電動機によ り直結プーリを通して駆動される｡回転数は3,000rpmで,ベルト で走行速度は17m/sある｡ベルトのばたつきを少なくするために, ベルトフープとベルトスべ-サが交互に各段にはいっている｡さら にべルト自身の運行をより円滑にするために軽いゴム含浸形のベル トを使用し,比較的抵抗値を低くLて電荷の局部的 の影響を避けている｡ベルトに電荷をのせる荷電用針 中や摩擦電気 極にほステ ソレス針を使用して先端の消耗を少なくし,高圧電極における集電 子の集電効率を100%に近づけうるように配置している｡ Ⅴ.d.G.を長時間運転するとタンク内の温度が上昇L,ラジアル スパークやベルト放電が起こりやすくなるので,適当な冷却を行な う必要がある｡本Ⅴ.d.G.ではフレオソ冷凍機を用いて冷却し,長 時間運転時における温度上昇を防いでいる｡ 2.2 _{高電圧電極内の装置} 高電圧電極内にはイオソ源,RF発振器,ブロープ電源,ビーム 来電源,ガスだめ,パラジウムリークが組み込まれている｡これ らの装置に必要な 力は,ベルトの上部プーリに組み込まれた 1kVA,100V,200c/sのプーリ発電機によって供給される｡イオ ン源や集束電源などは6本のアクリル棒を介して操作され,セルシ ン㌧モータを用いて制御机より遠隔操作される｡ イオン源はRF形(5)であり,50Mc,40Wの発振器でイオンを発 生する｡小発振出力でもイオンの発生,取り出しの効率をあげるた めにコイルによって磁束を加えている｡イオン に使用するガスは ガスだめよりパラジウムリークを通し,流量調節されながら供給さ れる｡イオンは5kVまでのプローブ電圧を適当に調節印加してイ オン源から押し出され,50kVまで可変の 東電圧で 束される｡ RFイオン源は原子イオン収量がよく,70%以上に達しており,全 イオンビームが200/jA程度取り出せる｡高圧電極内の各装置の機 能図を第3図に示す｡ 2.3 _{加速管と真空系} 加速管はベルトとともにⅤ.d.G.の最も重要な部分である｡設

にあたっては,高真空中の耐圧,ガラス管の沿面耐圧,真空排気コ

ンダクタソスやさらにビームの集束作用まで考慮されている｡加速 管ほアルミニウム電極とガラス管を交互に接着して製作し,全体が 3分割できる｡加速管電極は2.1に述べたコラムの各段と1対1の 対応をしている｡フープと加速電極との接続はインダクタンスを持 ったバネで行なわれ,サージが加速管に侵入しないようにするとと もに,加速管には火花ギャップを取り付けて異常電圧を防止してい 高圧電極 プローブ電源_ ≡コイル･､ ＼ 電源 プローブ ≡=工ンく□一プ 二丁･磁束コイノレ マ≡ パラジウムリ

且ヒ_窓

集 イ オ ン､ ｣ l ム

【簑

･ 二1 服刊

i≡≒=…三三

【

】

二‡て =二≡: l

ト竺室…ミ…

十 亭==曇_.■ 譲二 箭3岡 _{r寸ン源ゾl ∫､リグ軌刻} 東亀源 加速管を排気する真空装置としては1Uインチ油拡散ポンプと 600J/minの油回転ポンプを使用した｡油の逆拡散を防ぐために液 体窒素のトラ､､′プを使用し ている｡到達真空度は1×10 ` 6mmtigで あり,ガスリークによって5×10 5mmHgまでの _{囲を調整でき} る｡また加速管に接続するど-ムダクトや分析電磁石用兵空箱など の排気のために6インチ油拡散ポンプと150J/minの油回転ポンプ を備えている｡なお真空系の保 のためにサーミスタ真空計と連動 するニューマティックバルブを取り付けている｡ 2.4 _{分析電磁石} 加速されたイオンビームは,分析 磁石の磁界によって質量とエ ネルギーの挨択が行なわれ,ターゲットに導かれる｡この分析電磁 石は縦形Ⅴ.d.G.によって垂直に加速されたビームを水平方向に 90度偏向する役目も兼ねている｡電磁石の磁極間げきには,ビーム が通る真空箱と核磁気共鳴吸収磁束計のプローブがはいる｡ビーム の入口と出口の磁極部にほ回転シムがあり,これを調節することに よってビームの集束や位置を調整でき,ビームに二方向の集束作用 を与える｡最大磁束鮮度ほ12,500ガウスで5MeV He十イオソまで 分析できる｡励磁電流の安定度ほ2/10,000であり,空間的な磁束密 度の変動も10【4の程度である｡ ビームほ分析電磁石の入口と出口に設けたビューワによって観察 することができ,入口および出口スリットと 磁石の磁界とはエネ ルギーと質量の分析系を形成する｡出口スリットはコロナポイソト による電圧安定装置のビームエネルギー変動検出部になっている｡ 電磁石の出口側には真空箱から二つのビームダクトが出ており,そ れぞれ軌道半径65cmと91.9cmのビーム軌道に対応する｡この二 つのビームダクトは,原子ビームを90度偏向したときに,分子ビー ムが64度偏向してダクトにはいれるようになっている｡スリット とビューワはそれぞれ二つのダクトに取り付けてあり,分子ビーム は電圧安定装置を動作させ,原子ビームをスリットで絞らず,その ままターゲットにあてることもできる｡第4図に分析電磁石とビー ムダクトの一部を示す｡

5MeV _{ソ･デ●グ} 第4図 分 析 用 電 磁 石 第5図 制 2.5 _{制 御 装 置} Ⅴ止G･の各部はすべて制御机より遠隔操作される｡弟5図は制 御机である｡発生電圧ほベルトの運ぶ電荷量によって変わるが,そ の増減はベルト荷電電源の1次側にあるスライドトランスによって 行なわれる｡電圧の測定には既知の核励己訂こよって更正されている 回転電圧計(6)を用いている｡この 圧計は電圧安定 兼ね,その出力の1部を交流および直 置の検出部も 増幅器で増幅して荷 _電 1次側の可飽和リアクトルに導き,ベルトの荷電を変えて発生電圧 を調整する｡この制御方式は通常スプレスタビライザと呼ばれてい る｡これによってⅤ･d･G･_発生電圧の変動ほ±1%以Fに押えられ る｡ Ⅴ･d･G･を原了･核実験に使用する場合には,スプレスタビライザ のはかにコロナポイントスタビライザ(7)を使屈し,電圧安定度をさ らによくしている｡Ⅴ･d･G･の負荷としてはビームと分圧抵抗の電 流とがあるが,これにコロナポイソトのコロナ電流を追加し,この 電流を増減して発生 旺を変えることができる｡コロナポイントの 電流は電子管6BK4で制御する｡電圧変動の検出は2.4に述べた ビーム分析系の出口スリットで行なう｡検出された信号は 器によって増幅し 動増幅 子管6BK4のグリッドに導かれる｡コロナポ イントスタビライザは応答が早く,スプレスタビライザと共用する ことによって 圧安定度は10】3程度にすることができる｡葬る図 にこれら電圧安定回路のブロック結線図を示す｡ フ

形

粒

_子

_加

_速

_装

_置

第6図 高電圧安定装置ブロック線図 崩ま こ -ノ･ニ_- ジ㌫-･ r望詑∫ ノ.珊ケJ 泌 葦b三 -･ }手芸T≡ユ 竃長さ 萎′藻■至 ㌻-=瞞_ノ. 箋墓室 き重要宗一 ぅー湖こ -….′鮒= 三一幸墓-ノ_≡_- 姦藻_-登城}■萎 _軍勢:さノ=幾寅冥誓ニ 一幸筈鴇毒素_{一冊ノ･_-≡}追 言誓 -…〔=孝三.三- ･ -.一坤 --･ -⊇; =芸_㌢■_∫姜 一毒聖顔滋 ｡ノ亘 三さ 垣 一三 ･ 奉幣空軍 _ノ､ハ琳 _ 芳一r∫__･'_.ご き茸賢一ユ 姦 ㌻ユゴ冊訂′-無策- 警 〃 クー へ＼｣≒) 也圃瑚載 第7国 分析電磁石の電流安定度 ∫ /♂ _/∫ ゲージ圧力(々娩〝2) 第8図 ガス圧と発生電圧の関係 一般に精密核実験を行なう場合には,回転電圧計はエネルギーの 目安であり,正確なエネルギーの尺度としては分析電磁石の磁界強 度を使用する｡またビーム分析系はエネルギー安定装置の重要な要 であり,分析電磁石の磁束密度は10 4程度の安定度が要求され る｡〉また励磁電流の安定度も10 4程度でなければならな＼ の電 には13kW,200Vの電動直流発電機を使用L,チョッパ形直 流増幅器を主体とする電子管制御装置で励磁電流を制御している｡ なお電流の変動はマンガニ 抵抗によって検出し,水銀電池に よる基準電源の電虻と検出電圧を比較している｡弟7図は励磁 の長時間記録の一部であるが,電流の変動は±2/10,000以下で非常 によい｡ 3.l

3.電圧特性とイオン加速

圧 特 性 Ⅴ.d.G.においてほベルト,絶縁ガス,加速管の耐圧が非常に重 要である｡ベルトは2.1に述べたように,ゴム含浸形の低抵抗べ′レ トを採用することにより特性が著しく改善され,ベルトの放電は問 題になっていない｡ベルトの放電が起こらないとVJ.G.の電圧は ガスの耐圧で決まる｡発生電圧はタンク内のガス圧とともに上昇し, ラジアルスパークによって押えられた｡第8図はゲージ圧力と発生 圧との関係である｡

団圃悪声.へ∴ヽ≠-ロ ｢/ C β パ 【 ∫ズ〝寸 灯J _{Jメ〝寸/♂,〃} 真空度(〝〝物) 第9図 加速管真空度とローディソグ開始電圧

加速管に電圧を印加した場合に,まず問題となるのはいわゆる

violentdischargeよりも管内のローディソグ現象である｡5MeV

V.d.G.ではイオンビームを加速しながらフォーメーショソを行な ったところ,3MeVV.d.G.の場合に比べ短時日にローディソグ 開始電圧をあげることができた｡すでに3MeV V.d.G.の場合に も述べたように(4),ローディソグ開始電圧はガスリークによっても 上昇させることができる｡加速管内にN2,H2などのガスリークを して真空をわるくしていったときに,ローディソグ開始電圧がどこ まで高められるかは,加速管のフォーメーショソの度合や使用履歴 によって異なる｡弟9図は加速管真空度とロ･一ディソグ開始電圧の 関係の一例を示す｡ 3.2 _{エネルギー分析系の軌道半径測定} 分析電磁石におけるイオンビームの軌道半径は90度偏向で65cm

の設計であるが,これを実験的に確認するためにP喜10のα線

(5,304MeV)を用いて測定した｡線源P岩10は分析系の入口スリッ

トの上方におかれ,これより放出されたα線は分析電磁石の磁界で 90度偏向され,出口スリットを通る｡α粒子の計数は,出口スリッ･ト の後方に配置されたCsIシンチレーションカウンタで行なった｡磁 束密度はプロトンの核磁気共鳴吸収磁束計で精 に測定した｡α線 スペクトルのピークの位置は共鳴周波数ノ=21.695Mc/sであった｡ 共鳴周波数′(Mc/s)と磁束密度(ガウス)との関係は, β=234.865×′

で与えられるので,エネルギーと旦0との関係

βJ･こ _{(lγ2+2桝｡C21γ)1/2} ..(2) p:軌 道 半 径 gg:粒子の電荷 c:光 速 度 刑｡C2:粒子の 止エネルギー を用いて,数値を入れて計算するとp=65.09cmとなり,設計伯と 一致することがわかった｡ 3.3 _{イオン加速とエネルギーの測定} 加速されたイオンビームほ,分析系の人口スリットに 束され る｡ビームスポットほ,入l Ⅰスリット付近のビューワで観測して, 1∼2mm￠まで絞ることができた｡集束系は3MeV V･d･G･にお ける経験を生かし,M.M.Elkind(8)と同様の考えで設計したが,加 速電圧と集束電圧との比は110∼120でほぼ設計値と一致した｡2･5 に述べたスリットスタビライザを動作させると,加速 圧の安定度 は非常によく,ターゲットに達するビームエネルギーの変動は ±0.1%であった｡ ､ 三｢1トド瀬川二蝉智音寛卜辿｢廿 ノj∫ ガ♂ ∠尻♂ ブロトン核磁気共鳴周波数(鵜) ∠7♂ 第10図 Li7(九乃)Be7によるビームエネルギーの測定 エネルギー分析系を通F),ターゲットを衝撃するビームのエネル ギーは磁束密度βと軌道半径βから求められる｡しかし,ビームエ ネルギーを 験的に確認し,分析系の再現性を調べるために,Li7 (九乃)Be7反応のスレッシュホールド値を測定した｡この反応につ いては多くの精密な測定が行なわれており,そのスレッシュホール ド値は1,880.7±0.4keV(9)である｡ターゲットとしてはアルミニウ ムに蒸着したLiFの厚いターゲットを用い,原子ビーム(Hl+, 1,881MeV)および分子ビpム(H2+,3,761MeV)の両方で実験し た｡中性子の計数には,日立RDN-2形中性子カウンタを使用した が,プローブは日立EB125形BF8計数管とパラフィンとを組ネ合 わせ,Bouner&Butler(10)の用いたものと同様な構造とした｡中 性子収量はど-ムイソテグレータでモニタした｡スレッシュホール ドの測定結果は弟10図に示したようであり,数回の測定により再 現性が非常に良いことがわかった｡

4.縮

言

本5MeV V.d.G.は国産で初めてのものであり,製作にあたっ ては,3MeV器の経験を十二分に取り入れた｡特に,低抵抗含浸ベル トに対するフォーメーショソやガスリークの対策は,木器の性能を 著しく向上せしめ,国内でも5MeV級のⅤ･d･G･を製作できる自 信を得た｡今後,原子核実験や放射線物理の分野において,国 5MeV級Ⅴ.d.G.の活陛が される｡ 終わりに,終始ご激軌 ご指導を賜わった東北大学木村教授,森 田教授,ならびに 礼を申しあげる｡. 平,椙山南先生はか関係者のかたがたに厚くお 参 鳶 文 献 R.J.Van de _{Graaff:Phys.Rev.38,1919(1931)} R.G.Herb,D.B.Parkinson&D.W.Kerst:R･S･I･6,261 (1935)

(3)たとえば,R.G.Herb:Handbuch derPhysik

XLIVedi-ted by _{Fliige(SpringerLVerlag,1959)p･64} (6) 未松,杉本,菅ノ父:口二､L評論43,2007(帽36-11) 菅ノ又,俵,末松,森山:第2同原r･力研究総合発表会要 旨集p.143(1961) 奥山,笈川:電気学会昭和33年東京女都大会予稿20 (7)W.E.Bennet,etal:R.S.Ⅰ･13,128(1942) (8)M.M.Elkind:R.S.I.24,129(1953) (9)J.B.Marion:Rev.Mod.Phys.,33,139(1961) (10)T.W.Bouner&J.W.Butler:Phys-Rev･83,1091(1951)